Hurtigere, tyndere, billigere: Er Koomeys lov den nye mores lov?

Bærbare computere, mobiltelefoner og tablets bliver billigere, slankere og mere kraftfulde hvert år, mens batterilevetiden bliver længere. Har du nogensinde spekuleret på, hvorfor dette er, og om enheder kan fortsætte med at forbedre sig for evigt?

Svaret på det første spørgsmål forklares med tre love opdaget af forskere, kendt som Moores lov, Dennard-skalering og Koomeys lov. Læs videre for at forstå indvirkningen af ​​disse love på databehandling, og hvor de kan føre os i fremtiden.

Hvad er Moores lov?

Hvis du er en regelmæssig MakeUseOf-læser, er du muligvis opmærksom på den mytiske Moores lov.

Intels CEO og medstifter Gordon Moore introducerede det først i 1965.

Han forudsagde, at antallet af transistorer på en chip ville fordobles ca. hvert andet år og blive mellem 20 og 30 procent billigere at lave årligt. Intels første processor blev frigivet i 1971 med 2.250 transistorer og et areal på 12 mm². Dagens CPU'er rummer hundreder af millioner transistorer pr. Millimeter kvadrat.

Mens det startede som en forudsigelse, vedtog industrien også Moores lov som en køreplan. I fem årtier gjorde lovens forudsigelighed det muligt for virksomheder at formulere langsigtede strategier, vel vidende at, selvom deres design var umulig i planlægningsfasen, ville Moores lov levere varerne på det rette sted øjeblik.

Dette havde en banebrydende effekt på mange områder, fra den stadigt forbedrede grafik af spil til antallet af balloner i megapixel i digitale kameraer.

Loven har dog en holdbarhed, og fremskridt sænkes. Selvom chipproducenter fortsætter med at find nye måder omkring grænserne for siliciumchips, Mener Moore selv, at det ikke længere fungerer i slutningen af ​​dette årti. Men det vil ikke være den første teknologilov, der forsvinder.

Når Moores lov slutter: 3 alternativer til siliciumchips

Moores lov har dikteret tempoet i den teknologiske udvikling i årtier. Men hvad sker der, når dets fysiske grænser er nået?

Hvad skete der nogensinde med Dennard Scaling?

I 1974 observerede IBM-forsker Robert Dennard, at når transistorer krymper, forbliver deres strømforbrug proportionalt med deres område.

Dennard-skalering, som det blev kendt, betød, at transistorområdet blev reduceret med 50 procent hver 18. måned, hvilket førte til en hastighedsforøgelse på 40 procent, men med samme strømforbrug.

Med andre ord ville antallet af beregninger pr. Watt vokse i en eksponentiel, men pålidelig hastighed, og transistorer ville blive hurtigere, billigere og bruge mindre strøm.

I en alder af Dennard-skalering var forbedring af ydeevnen en forudsigelig proces for chipproducenter. De tilføjede bare flere transistorer til CPU'er og øgede urfrekvenser.

Dette var også let for forbrugeren at forstå: en processor, der kører på 3,0 GHz, var hurtigere end en, der kørte på 2,0 GHz, og processorer blev hurtigere. Faktisk forudsagde den internationale teknologikøreplan for halvledere (ITRS), når urets satser ville nå 12 GHz inden 2013!

Men i dag har de bedste processorer på markedet en basisfrekvens på kun 4,1 GHz. Hvad skete der?

Slutningen af ​​Dennard-skalering

Urhastigheder sidder fast i mudderet omkring 2004, da reduktioner i strømforbrug stoppede med at holde trit med transistorenes krympningshastighed.

Transistorer blev for små, og den elektriske strøm begyndte at løbe ud og forårsagede overophedning og høje temperaturer, hvilket førte til fejl og udstyrsskader. Det er en af ​​grundene hvorfor din computerchip har en køleplade. Dennard Scaling havde nået grænser dikteret af fysikens love.

Flere kerner, flere problemer

Da kunder og hele brancher er vant til løbende hastighedsforbedringer, havde chipproducenter brug for en løsning. Så de begyndte at tilføje kerner til processorer som en måde at fortsætte med at øge ydeevnen.

Imidlertid er flere kerner ikke så effektive som blot at øge urets hastigheder på enheder med en enkelt kerne. Mest software kan ikke drage fordel af multiprocessing. Hukommelsescaching og strømforbrug er yderligere flaskehalse.

Overgangen til multicore chips varslede også ankomsten af ​​mørkt silicium.

Siliconens mørke tidsalder

Det blev snart klart, at hvis for mange kerner bruges samtidigt, kan den elektriske strøm lækkes og genoplive det overophedningsproblem, der dræbte Dennard-skalering på single-core chips.

Resultatet er multicore-processorer, der ikke kan bruge alle deres kerner på én gang. Jo flere kerner du tilføjer, jo flere af en chips transistorer skal slukkes eller sænkes, i en proces kendt som "mørkt silicium."

Så selvom Moores lov fortsætter med at lade flere transistorer passe på en chip, spiser mørkt silicium CPU-fast ejendom væk. Derfor bliver tilføjelse af flere kerner meningsløst, da du ikke er i stand til at bruge dem alle på samme tid.

Opretholdelse af Moores lov ved hjælp af flere kerner ser ud til at være en blindgyde.

Hvordan Moores lov kunne fortsætte

Et middel er at forbedre softwaremultiprocessing. Java, C ++ og andre sprog designet til enkeltkerner vil vige for dem som Go, som er bedre til at køre samtidigt.

En anden mulighed er at øge brugen af ​​feltprogrammerbare gate arrays (FPGA'er), en type tilpasselig processor, der kan omkonfigureres til specifikke opgaver efter køb. For eksempel kunne en FPGA optimeres af en kunde til at håndtere video, mens den eller kunne være specielt tilpasset til at køre applikationer med kunstig intelligens.

Opbygning af transistorer af forskellige materialer, såsom grafen, er et andet område, der undersøges for at presse mere liv ud af Moores forudsigelse. Og langt nede på linjen kan kvantecomputering muligvis ændre spillet helt.

Fremtiden tilhører Koomeys lov

I 2011 viste professor Jonathan Koomey, at peak-output energieffektivitet (effektiviteten af ​​en processor, der kører i topfart) gentager den processorkraftbane, der er beskrevet i Moores lov.

Koomeys lov bemærkede, at beregningerne pr. Joule energi var fordoblet hvert 1.57 år fra 1940'erne med vakuumrørsdyr til laptops i 1990'erne. Med andre ord halveredes batteriet brugt af en bestemt opgave hver 19. måned, hvilket resulterede i, at den nødvendige energi til en bestemt beregning faldt med en faktor 100 hvert årti.

Mens Moores lov og Dennard-skalering var enormt vigtige i en verden af ​​desktops og bærbare computere, den måde, vi bruger processorer har ændret sig så meget, at den energieffektivitet, der er lovet af Koomeys lov, sandsynligvis er mere relevant for du.

Dit dataliv er sandsynligvis delt mellem mange enheder: bærbare computere, mobiltelefoner, tablets og diverse gadgets. I denne æra af spred computing, bliver batteriets levetid og ydelse pr. watt vigtigere end at presse mere GHz ud af vores mange-kernede processorer.

Med mere af vores behandling outsourcet til massive cloud computing-datacentre er energiomkostningsimplikationerne af Koomeys lov af stor interesse for tech-giganter.

Men siden 2000 er den brancheoverskridende fordobling af energieffektivitet, der er beskrevet i Koomeys lov, aftaget på grund af afslutningen af ​​Dennard-skalering og decelerationen af ​​Moores lov. Koomeys lov leverer nu hvert 2,6 år, og i løbet af et årti øges energieffektiviteten med en faktor på kun 16 snarere end 100.

Det kan være for tidligt at sige, at Koomeys lov allerede følger Dennard og Moores ind i solnedgangen. I 2020 rapporterede AMD, at energieffektiviteten af ​​sin AMD Ryzen 7 4800H-processor steg med en faktor på 31.7 sammenlignet med sine 2014 CPU'er, hvilket giver Koomeys lov et rettidigt og betydeligt løft.

Relaterede: Apples nye M1-chip er en spilskifter: Alt hvad du behøver at vide

Omdefinere effektivitet til at udvide Koomeys lov

Peak-output energieffektivitet er kun en måde at evaluere computereffektivitet på og en, der muligvis nu er forældet.

Denne måling gav mere mening i de sidste årtier, hvor computere var knappe, dyre ressourcer, der havde tendens til at blive skubbet til deres grænser af brugere og applikationer.

Nu kører de fleste processorer med højeste ydeevne i kun en lille del af deres liv, når de f.eks. Kører et videospil. Andre opgaver, som at kontrollere meddelelser eller surfe på internettet, kræver meget mindre strøm. Som sådan bliver den gennemsnitlige energieffektivitet i fokus.

Koomey har beregnet denne "effektivitetseffektivitet" ved at dividere antallet af operationer, der udføres om året med den samlede brugte energi og argumenterer for, at den skal erstatte "peak-use efficiency" -standarden, der blev brugt i hans original formulering.

Selv om analysen stadig skal offentliggøres, forventes effektiv anvendelse mellem 2008 og 2020 at have fordoblet hvert 1,5 år eller deromkring, hvilket returnerer Koomeys lov til den optimale hastighed set, da Moores lov var i dens prime.

En implikation af Koomeys lov er, at enheder fortsat reduceres i størrelse og bliver mindre strømintensive. Krympende - men stadig højhastigheds - processorer kan snart være så lavt strømforbrug, at de er i stand til at tegne deres energi direkte fra miljøet, såsom baggrundsvarme, lys, bevægelse og andet kilder.

Sådanne allestedsnærværende behandlingsenheder har potentialet til at indvarsle den sande tidsalder af tingenes internet (IoT) og få din smartphone til at se så forældet ud som de vakuumrørede fjerder i 1940'erne.

Imidlertid, som forskere og ingeniører opdager og implementerer flere og flere nye teknikker for at optimere "effektivitetseffektivitet", den del af en computers samlede energiforbrug vil sandsynligvis falde så meget, at kun ved peak-output-niveauer vil kun peak-output være signifikant nok til måle.

Peak-output-forbrug bliver endnu en gang målestokken for energieffektivitetsanalyse. I dette scenarie vil Koomeys lov til sidst støde på de samme fysiske love, som bremser Moores lov.

Disse fysiske love, som inkluderer termodynamikens anden lov, betyder, at Koomeys lov slutter omkring 2048.

Kvantecomputing vil ændre alt

Den gode nyhed er, at kvantecomputering inden da skal være veludviklet med transistorer baseret på enkeltatomer almindelig, og en ny generation af forskere bliver nødt til at opdage et helt andet sæt love for at forudsige fremtiden for computing.

AMD vs. Intel: Hvad er den bedste spil-CPU?

Hvis du bygger en spil-pc og revet mellem AMD- og Intel-CPU'er, er det tid til at lære, hvilken processor der er bedst til din spilrigge.

Om forfatteren